Microscopio 3DXRD (LAB-3DXRD) a escala de laboratorio. (a) Descripción general de los componentes LAB-3DXRD; (b) Instrumentación 3DXRD de campo lejano dentro de la cápsula; (c) una imagen de la forma del haz incidente con las hendiduras abiertas; (d) La distribución vertical de fotones contados en la posición de muestra en el detector Minipix. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
Por primera vez, los investigadores pueden estudiar las microestructuras dentro de metales, cerámica y rocas con radiografías en un laboratorio estándar sin necesidad de viajar a un acelerador de partículas, según un estudio dirigido por ingenieros de la Universidad de Michigan.
El trabajo se publica en la revista Nature Communications.
La nueva técnica hace que la difracción de rayos X 3D, conocida como 3DXRD, sea más fácilmente accesible, lo que puede permitir un análisis rápido de muestras y prototipos en la academia y la industria, además de brindar más oportunidades para los estudiantes.
3DXRD reconstruye imágenes 3D utilizando rayos X tomados en múltiples ángulos, similar a una tomografía computarizada. En lugar de que el dispositivo de imagen gire alrededor de un paciente, una muestra de material de pocos milímetros de ancho gira en un soporte frente a un poderoso haz con aproximadamente un millón de rayos X más que una radiografía médica.
La enorme concentración de rayos X produce una imagen a microescala de los pequeños cristales fusionados que componen la mayoría de los metales, cerámicas y rocas, conocida como materiales policristalinos.
Los resultados ayudan a los investigadores a comprender cómo reaccionan los materiales a las tensiones mecánicas midiendo miles de cristales individuales, el volumen, la posición, la orientación y la tensión. Por ejemplo, la imagen de una muestra de un haz de acero bajo compresión puede mostrar cómo los cristales responden al soporte del peso de un edificio, ayudando a los investigadores a comprender el desgaste a gran escala.
Los sincrotrones alguna vez fueron las únicas instalaciones capaces de producir suficientes radiografías para 3DXRD, ya que los electrones escupen a las rayos X a medida que viajan a través de aceleradores circulares de partículas, que luego se pueden dirigir a una muestra.
Mientras que las vigas de rayos X de sincrotrón producen detalles de última generación, solo hay alrededor de 70 instalaciones en todo el mundo. Los equipos de investigación deben reunir propuestas de proyectos para “tiempo de haz”. Los proyectos aceptados a menudo deben esperar seis meses hasta dos años para ejecutar sus experimentos, que se limitan a un máximo de seis días.
En un esfuerzo por hacer que esta técnica esté más ampliamente disponible, el equipo de investigación trabajó con Proto Manufacturing para construir personalizado el primer 3DXRD a escala de laboratorio. En general, el instrumento es aproximadamente del tamaño de un baño residencial, pero podría reducirse al tamaño de un armario de escoba.
Un esquema del estudio de validación de evaluación comparativa de evaluación comparativa de 3DXRD a escala de laboratorio. un dibujo de una muestra TI-7Al utilizada en este trabajo; b Los volúmenes de muestra totales medidos por cada una de las tres técnicas; C Microestructura 3D medida con tomografía de contraste de difracción de laboratorio (LABDCT); d Gráfico de dispersión 3D de centroides de grano medidos con 3DXRD basado en sincrotrón (Synch-3DXRD); e Gráfico de dispersión 3D de centroides de grano medidos con 3DXRD a escala de laboratorio (LAB-3DXRD); F 3DXRD vs. Convenciones del sistema de coordenadas DCT. Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
“Esta técnica nos brinda datos tan interesantes que quería crear la oportunidad de probar cosas nuevas que sean de alto riesgo, altas recompensas y permiten momentos de enseñanza para estudiantes sin el tiempo de espera y la presión del tiempo de haz de sincrotrón”, dijo Ashley Bucsek, profesora asistente de Ingeniería Mecánica y Ciencias de Materiales e Ingeniería y Corrección de Corrección del Estudio.
Anteriormente, los dispositivos a pequeña escala no podían producir suficientes radiografías para 3DXRD, porque en cierto punto, el haz de electrones bombea tanta potencia en el ánodo, la superficie de metal sólido que los electrones golpean para hacer rayos X, que se derretiría. LAB-3DXRD aprovecha un ánodo de chorro de metal líquido que ya está líquido a temperatura ambiente, lo que le permite tomar más potencia y producir más radiografías que una vez posibles a esta escala.
Los investigadores pusieron a prueba el diseño escaneando la misma muestra de aleación de titanio utilizando tres métodos: LAB-3DXRD, SynchroTron-3DXRD y Tomografía de contraste de difracción de laboratorio o LABDCT, una técnica utilizada para trazar estructuras de cristal en 3D sin información de tensión.
LAB-3DXRD fue muy preciso, con el 96% de los cristales que recogió superposición con los otros dos métodos. Le fue particularmente bien con cristales más grandes de más de 60 micrómetros, pero perdió algunos de los cristales más pequeños. Los investigadores señalan que agregar un detector de conteo de fotones más sensible, que detecta las radiografías que se utilizan para construir las imágenes, podría ayudar a atrapar los cristales de grano mejor.
Con esta técnica disponible internamente, el equipo de investigación de Bucsek puede probar nuevos experimentos, perfeccionando los parámetros para prepararse para un experimento más grande con un sincrotrón.
“Lab-3DXRD es como un buen telescopio en el patio trasero, mientras que SynchroTron-3DXRD es el telescopio Hubble. Todavía hay ciertas situaciones en las que necesita el Hubble, pero ahora estamos bien preparados para esos grandes experimentos porque podemos probar todo antes”, dijo Bucsek.
Más allá de habilitar experimentos más accesibles, LAB-3DXRD permite a los investigadores extender proyectos más allá del límite de seis días sincrotrón, lo cual es particularmente útil al estudiar la carga cíclica: cómo un material responde a tensiones repetidas durante miles de ciclos.
El primer autor y autor co-correspondiente Seunghee Oh, investigador en ingeniería mecánica en el momento del estudio, ahora trabaja en la División de Ciencias de las Rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Los investigadores de Proto Manufacturing también contribuyeron al estudio. LABDCT se realizó en el Centro de Michigan para la caracterización de materiales.
Más información: Seunghee Oh et al, tomando difracción tridimensional de rayos X (3DXRD) del sincrotrón a la escala de laboratorio, Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
Proporcionado por la Universidad de Michigan
Cita: Syncrotron in a Closet: traer potente microscopía de rayos X 3D a laboratorios más pequeños (2025, 29 de abril) Recuperado el 29 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-synchrotron-closet-powerful-3d-ray.html
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